DE1207640B - Device for photoelectrically determining the position of an object that can be adjusted with respect to a reference position - Google Patents
Device for photoelectrically determining the position of an object that can be adjusted with respect to a reference positionInfo
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Description
Vorrichtung zum photoelektnsehen Bestimmen der Lage eines gegenüber einer Bezugsstellung einstellbaren Objektes Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum photoelektrischen Bestimmen der Lage eines gegenüber einer Bezugsstellung einstellbaren Objektes, bei welcher durch das die Abtastmerkmale einer mit dem Objekt verbundenen Meßteilung abtastende Lichtstrahlenbündel über ein in den Abtaststrahlengang eingeschaltetes optisches Strahlenteilerelement zwei Photozellen zur Erzeugung entsprechender elektrischer Signale beaufschlagt werden.Device for photoelectnsehen determination of the position of an opposite a reference position adjustable object The invention relates to a Device for photoelectrically determining the position of a reference position adjustable object, in which the scanning features one with the object associated measuring graduation scanning light beam via a into the scanning beam path switched on optical beam splitter element two photocells to generate corresponding electrical signals are applied.
Es sind Vorrichtungen dieser Art bekannt, bei denen ein Vergleichsmaßstab benutzt wird, der aus einer regelmäßigen Folge heller und dunkler Streifen besteht, die das auf sie fallende Licht in unterschiedlicher Weise reflektieren. Der reflektierte Strahl wird bei der bekannten Vorrichtung durch einen besonderen Trennkörper in zwei Strahlen zerlegt, die auf photoelektrischem Wege überprüft werden. There are devices of this type known in which a comparison scale is used, which consists of a regular sequence of light and dark stripes, which reflect the light falling on them in different ways. The reflected Beam is in the known device through a special separator in split two beams, which are checked photoelectrically.
Weiter ist es bei Vorrichtungen, bei denen die Lage eines Meßobjektes gegenüber einer Bezugsstellung photoelektrisch bestimmt und die Bestimmung zur Einstellung des Meßobjektes verwendet wird, bekannt, ein Strahlenteilerelement mit dem verschiebbaren Meßobjekt in Verbindung zu setzen. It is also with devices in which the position of an object to be measured determined photoelectrically with respect to a reference position and the determination for adjustment of the measurement object is used, known, a beam splitter element with the displaceable To put the test object in contact.
Ferner ist eine Vorrichtung bekannt, mit der die Lage bzw. die Lageänderung eines drehbeweglich angeordneten Objektes bestimmt wird, dessen Drehbewegung der linearen oder Drehbewegung eines zu beobachtenden und zu bestimmenden Gegenstandes zugeordnet ist. In dieser bekannten Vorrichtung werden elektrische Zählsignale erzeugt, und zwar zum Zwecke der Unterscheidbarkeit der Bewegungsrichtung des dem drehbeweglich angeordneten Objekt zugeordneten Gegenstandes in zwei phasenverschiedenen Symbolfolgen. Hierfür ist das drehbeweglich angeordnete Objekt als im wesentlichen zylindrischer Körper ausgebildet, der auf seinem Mantel eine Folge einzelner zylindrischer Reflektoren aufweist. Das Licht, das von einer Lichtquelle aus auf die Reflektoren geworfen und- von diesen reflektiert wird, wird mittels einer zusätzlichen Spiegelanordnung auf Photozellen verteilt, mit deren Hilfe die Lichtsignale in elektrische Signale umgesetzt werden. Furthermore, a device is known with which the position or the change in position a rotatably arranged object is determined, the rotational movement of the linear or rotary movement of an object to be observed and determined assigned. In this known device, electrical counting signals are generated, for the purpose of distinguishing the direction of movement of the rotatable arranged object in two phase-different symbol sequences. For this purpose, the rotatably arranged object is essentially cylindrical Body formed, which on its jacket a series of individual cylindrical reflectors having. The light that is thrown from a light source onto the reflectors and - is reflected by these, is by means of an additional mirror arrangement Distributed on photocells, with the help of which the light signals are converted into electrical signals implemented.
Insbesondere die zuletzt erwähnte bekannte Vorrichtung läßt erkennen, daß zur Lagebestimmung von Objekten gegenüber einer Bezugsstellung bislang mit verschiedenen, den optischen Strahlengang beeinaussenden Teilen gearbeitet wird, die räumlich getrennt voneinander angeordnet sind und dadurch eruebliche Anforderungen an den Zusammenbau stellen. In particular, the last-mentioned known device shows that to determine the position of objects in relation to a reference position so far with different, the optical beam path influencing parts is worked, which are spatially separated are arranged from each other and thereby necessary assembly requirements place.
Das gleiche trifft für den bekannten Fall zu, bei welchem das verschiebbare Meßobjekt mit einem Strahlen teilenden Element in einer verhältnismäßig weitläufigen Verbindung steht. The same applies to the known case in which the slidable DUT with a Rays dividing element in a relatively extensive area Connection.
Die Erfindung geht deshalb von der Aufgabe aus, bei einer Vorrichtung der eingangs erwähnten Art eine möglichst enge räumliche Beziehung zwischen der Meßteilung und einem Strahlenteilerelement herzustellen, das für die Lageüberprüfung des einstellbaren Objektes erforderlich ist. Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch - gelöst, daß jedes Abtastmerkmal der Meßteilung als optische Strahlenteilervorrichtung ausgebildet ist, auf welche eine leuchtende Schlitzblende abgebildet wird. The invention is therefore based on the object in a device of the type mentioned above, the closest possible spatial relationship between the Measuring graduation and a beam splitter element to be used for checking the position of the adjustable object is required. This object is achieved according to the invention thereby - solved that each scanning feature of the measuring graduation as an optical beam splitter device is formed, on which a luminous slit diaphragm is mapped.
Die erfindungsgemäße Anqrdnung ist den bekannten Vorrichtungen in verschiedener Hinsicht überlegen. Dadurch, daß die Lage eines Schlitzbildes mit Bezug auf eine dem Schlitz parallele Kante fest gestellt wird, ergibt sich eine große- Genauigkeit. The arrangement according to the invention is the known devices in superior in various ways. The fact that the position of a slit image with With respect to an edge parallel to the slot is established, one results great accuracy.
Diese Genauigkeit wird noch dadurch verbessert, daß irgendwelche Justierungsfebler entfallen, die bei den bekannten Anlagen dadurch bedingt sind, daß strahlenteilende Elemente und die zur Einstellung erforderliche Meßteilung räumlich getrennt angeordnet sind oder nur über eine Reihe von weiteren Einzelteilen miteinander in Verbindung stehen.This accuracy is further improved by the fact that any adjustment errors omitted, which in the known systems are due to the fact that beam-splitting Elements and the graduation required for adjustment are spatially separated are connected to each other or only through a number of other individual parts stand.
Vorzugsweise ist vorgesehen, daß die Meßteilung von einer Reihe miteinander verbundener optischer Prismen gebildet wird. Bei dieser Anordnung können die leuchtende Blende und die photoelektrische Abtastvorrichtung an der gleichen Seite einer aus reflektierenden Merkmalen bestehenden Meßteilung angeordnet sein. Für verschiedene Zwecke ist es jedoch auch möglich, eine Meßteilung mit durch optische Brechung wirkenden Merkmalen zu versehen, so daß die leuchtende Blende und die photoelektrische Abtastvorrichtung an verschiedenen Seiten der Meßteilung liegen. It is preferably provided that the measuring graduation of a row with one another connected optical prisms is formed. With this arrangement, the luminous Shutter and the photoelectric scanning device on the same side of one reflective Features existing measuring graduation be arranged. For various purposes, however, it is also possible to use a measuring graduation through optical To provide refraction-acting features, so that the luminous aperture and the photoelectric Scanning device lie on different sides of the measuring graduation.
Es ist bereits bekannt, als Maßstab das auf einem zylindrischen Körper ausgebildete Gewinde zu verwenden, dessen Windungen die Maßstabteilung bilden. Dieses Merkmal kann zur Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung in der Weise verwendet werden, daß die Meßteilung in an sich bekannter Weise auf einem zylindrischen Körper als Teilungsträger angeordnet und durch ein Schraubengewinde mit Dreiecksprofil gebildet ist und daß die Meßteilung mikrometerschraubenartig drehbar ist. It is already known as the scale that on a cylindrical body to use trained threads, the turns of which form the scale division. This Feature can be used to embody the present invention in the manner be that the measuring graduation in a known manner on a cylindrical body arranged as a graduation carrier and by a screw thread with a triangular profile is formed and that the graduation is rotatable like a micrometer.
Insgesamt erhält die erfindungsgemäße Vorrichtung im Vergleich zu den bekannten Vorrichtungen einen sehr einfachen Aufbau, der eine direkte und sehr genaue Messung und Einstellung ermöglicht. Overall, the device according to the invention in comparison to the known devices have a very simple structure, which is a direct and very allows accurate measurement and adjustment.
Die Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung an Hand von Ausführungsbeispielen erläutert. The invention is described below with reference to the drawing explained on the basis of exemplary embodiments.
F i g. 1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße photoelektrische Vorrichtung; F i g. 2 ist eine entsprechende Ansicht einer Ausführungsabwandlung; F i g. 3 a und 3 b zeigen die Änderungen des resultierenden Signals in zwei verschiedenen Fällen. F i g. 1 schematically shows a photoelectric according to the invention Contraption; F i g. Fig. 2 is a corresponding view of an embodiment modification; F i g. 3 a and 3 b show the changes in the resulting signal in two different ways Cases.
In der Zeichnung bezeichnet 1 einen Teil des Bezugselements, welches gleichzeitig die Trennung der von ihm empfangenen Lichtbündel bewirkt und in einem geeigneten Halter 2 z. B. durch eine Präzisionsschraube 6 verschiebbar ist. Der Bezugsteil wird durch eine Zahnstange mit Dreieckprofil mit einem Kantenwinkel c und einer Teilung 2 e (Zwischenraum zwischen zwei aufeinanderfolgenden gleichartigen Teilen) gebildet. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 sind alle Flanken 25 und 26 des Profils reflektierend. Bei diesem Beispiel ist der Ablesekopf 7 an einem Gestell 8 befestigt. In the drawing, 1 denotes part of the reference element, which at the same time causes the separation of the light bundles received by him and in one suitable holder 2 z. B. is displaceable by a precision screw 6. Of the The reference part is supported by a toothed rack with a triangular profile with an edge angle c and a pitch 2 e (space between two successive similar Share). In the embodiment according to FIG. 1, all of the flanks 25 and 26 of the profile reflective. In this example, the reading head 7 is on one Frame 8 attached.
An diesem Ablesekopf beleuchtet eine Lampe 9 einen Schlitz 27 senkrecht zu der Skala 1 mittels eines Kondensors 11. Ein Objektiv 13 erzeugt von diesem Schlitz ein Bild einer der Kanten 28 des Bezugsteils. On this reading head, a lamp 9 illuminates a slot 27 vertically to the scale 1 by means of a condenser 11. An objective 13 is produced from this slit an image of one of the edges 28 of the reference part.
Lichtempfindliche Teile 17 und 17', welche an der gleichen Seite der Skala 1 wie das obige optische System angeordnet sind, sind so eingestellt, daß jedes von ihnen das von einer Flanke 25 bzw. 26 des Profils 1 reflektierte Licht empfängt. Die Breite des auf dem Bezugsteil gebildeten Bildes des Schlitzes ist höchstens gleich der halben Teilung e der Zahnstange.Photosensitive parts 17 and 17 ', which are on the same side of the Scale 1 arranged like the above optical system are set so that each of them the light reflected by a flank 25 or 26 of the profile 1 receives. The width of the image of the slit formed on the reference part is at most equal to half the pitch e of the rack.
Die beiden lichtempfindlichen Teile, z. B. Photodioden 17 und 17', sind elektrisch gegeneinandergeschaltet, und nach Verstärkung durch bekannte, nicht dargestellte Einrichtungen betätigt die Resultierende ihrer Wirkungen ein entsprechendes Meßinstrument 18. Die Differenz der von den Photodioden gelieferten Spannungen kann nach Verstärkung zur Betätigung z. B. eines Relais oder eines Wechselgetriebes benutzt werden. The two photosensitive parts, e.g. B. photodiodes 17 and 17 ', are electrically connected to each other, and after reinforcement by known ones, not The facilities shown operate the resultant of their effects a corresponding one Measuring instrument 18. The difference in the voltages supplied by the photodiodes can after reinforcement to actuate z. B. a relay or a gearbox used will.
Die gegenseitige Lage des Objektivs und des eine Trennwirkung ausübenden Bezugsteils, welche mit der Genauigkeit einer Teilung durch eine beliebige bekannte, nicht dargestellte Grobmeßvorrichtung bekannt ist, definiert genau die Lage des Bildes des Schlitzes 27 auf der Bezugsskala 1. The mutual position of the lens and the separating effect Reference part, which with the accuracy of a division by any known, Not shown coarse measuring device is known, precisely defines the location of the Image of the slot 27 on the reference scale 1.
Wenn das Objektiv genau einer Kante28 gegenüberliegt, empfangen die beiden Photodioden 17 und 17' gleiche Lichtmengen, so daß die Potentialdifferenz Null beträgt. Wenn sich der Ablesekopf 7 gegenüber dem Bezugsteil 1 z.B. nach der rechten Seite der F i g. 1 verschiebt, empfängt die Photodiode 17 immer weniger Licht, während die Photodiode 17' immer mehr empfängt. Da die beiden Photodioden gegeneinander geschaltet sind, ergibt sich eine Potentialdifferenz zwischen 17' und 17, wobei 17' das höhere Potential hat. Diese Differenz nimmt nach Maßgabe der Verstellung des Objektivs vor der Bezugsskala zu, und es tritt, wenn die Breite des Bildes des Schlitzes gleich einer halben Teilung e ist, die größte Potentialdifferenz auf, wenn das Objektiv sich etwa auf halbem Wege zwischen einer Kante und einer Vertiefung befindet. If the lens is exactly opposite one edge28, the receive two photodiodes 17 and 17 'equal amounts of light, so that the potential difference Is zero. When the reading head 7 is opposite to the reference part 1, for example after the right side of FIG. 1 shifts, the photodiode 17 receives less and less Light, while the photodiode 17 'receives more and more. As the two photodiodes are connected against each other, there is a potential difference between 17 ' and 17, where 17 'has the higher potential. This difference increases in accordance with the Adjustment of the lens in front of the reference scale too, and it occurs when the width of the image of the slot is equal to half a pitch e, the greatest potential difference on when the lens is about halfway between an edge and a Recess is located.
Hierauf nimmt die Potentialdifferenz ab (wobei das Potential von 17 zunimmt, während das von 17' abnimmt), bis es Null wird, wenn sich das Objektiv genau vor einer Vertiefung der Bezugsskala befindet. The potential difference then decreases (where the potential of 17 increases while that of 17 'decreases) until it becomes zero when the lens is off is located exactly in front of a recess in the reference scale.
Bei einer Fortsetzung der gegenseitigen Bewegung in der gleichen Richtung nimmt die Potentialdifferenz zwischen 17' und 17 dem Absolutwert nach wieder zu, ihr Vorzeichen kehrt sich jedoch um, da das Potential von 17 größer als das von 17' wird.With a continuation of the mutual movement in the same direction if the potential difference between 17 'and 17 increases again according to the absolute value, However, its sign is reversed, since the potential of 17 is greater than that of 17 'will.
Das erhaltene Signal hat die Form einer Sägezahnkurve, wenn die Breite des Bildes des Schlitzes 27 gleich einer halben Teilung e ist, wie in F i g. 3 a angegeben. The signal obtained has the shape of a sawtooth curve if the width of the image of the slot 27 is equal to half a pitch e, as in FIG. 3 a specified.
Es ist zu bemerken, daß die Potentialdifferenz Null genau nach jeder halben Teilung wiederkehrt (so daß das Gerät als Nullgerät benutzt werden kann), daß jedoch zur neuerlichen Herstellung des gleichen Signals eine Verschiebung von einer Teilung erforderlich ist, um wieder vor eine gleichartige Fläche zu kommen. It should be noted that the potential difference is zero exactly after each half division returns (so that the device can be used as a zero device), that, however, to re-establish the same signal a shift of a division is required in order to come back to a similar surface.
Hieraus ergibt sich, daß das Gerät nicht nur den Vorbeigang einer Kante 28 oder einer Vertiefung der Skala 1 vor dem Objektiv anzeigt, was der Nullstellung entspricht, sondern außerdem den Wert der etwaigen Verschiebung angibt. In dem Bereich einer halben Teilung wird diese Anzeige durch den Wert der Potentialdifferenz zwischen den Photodioden geliefert, welcher auch die Richtung der Verstellung angibt, welche zur Rückkehr in die Nullstellung erforderlich ist und in dem Bereich einer Teilung durch das positive oder negative Zeichen des Signals gekennzeichnet ist. Diese in elektrischer Form gelieferten Angaben können zur Steuerung eines Stellmechanismus benutzt werden, welcher den Halter des Teils betätigt, dessen Stellung berichtigt werden soll, um ihn selbsttätig in die »Nullstellung« zu bringen. It follows that the device is not just passing a Edge 28 or a depression of the scale 1 in front of the lens indicates what the zero position but also indicates the value of any shift. In that area half a division, this display is represented by the value of the potential difference between supplied to the photodiodes, which also indicates the direction of adjustment, which is required to return to the zero position and in the range of a division is indicated by the positive or negative sign of the signal. This in Information supplied in electrical form can be used to control an actuating mechanism which operates the holder of the part, corrects its position should be in order to automatically bring it into the "zero position".
Zur Interpolation innerhalb einer Teilung kann man entweder unmittelbar den Wert des Signals an einem elektrischen Meßinstrument ablesen oder einen Teil gegenüber dem andern verstellen (z.B. durch Verstellung des Bezugsteils 1 gegenüber seinem Halter 2 mittels der Präzisionsschraube) oder schließlich den Schlitz 27 gegenüber der optischen Achse mittels einer Präzisionsvorrichtung verschieben. For interpolation within a division you can either directly read the value of the signal on an electrical measuring instrument or part of it Adjust it in relation to the other (e.g. by adjusting the cover part 1 opposite its holder 2 by means of the precision screw) or finally the slot 27 move with respect to the optical axis by means of a precision device.
Falls das Bild der Schlitzbreite kleiner als eine halbe Teilung e ist, hat die Kurve des erhaltenen Signals die Form eines Trapezes, wie in F i g. 3 b dargestellt. Das System ist dann nur fähig, als Nullinstrument zu arbeiten, wobei die Zone, in welcher das Signal zu der Verstellung proportional ist, sehr klein ist und den schrägen Abschnittena-b der Kurve entspricht, deren Abszissen näher beieinander liegen als die der Ecken s und s' der Kurve 3 a, welche um eine halbe Teilung e voneinander entfernt sind. If the image of the slit width is less than half a division e is, the curve of the obtained signal has the shape of a trapezoid, as in FIG. 3 b shown. The system is then only able to work as a zero instrument, where the zone in which the signal is proportional to the displacement is very large is small and the sloping sections a-b of the Curve corresponds to the abscissas of which are closer together than those of the corners s and s' of curve 3 a, which are separated from each other by half a division e.
Anstatt durch eine Zahnstange, wie in F i g. 1 dargestellt, kann der Bezugsteil auch durch einen Zylinder mit einem Schraubengewinde mit Dreieckprofil mit einem Kantenwinkel c und einer Teilung 2 e gebildet werden. Ferner kann der reflektierende Bezugsteil der F i g. 1 durch einen entsprechenden Teil aus durchsichtigem Werkstoff ersetzt werden, wie in F i g. 2 dargestellt. Die Trennung erfolgt dann durch Brechung an den Flanken 25-26 des Bezugsteils 1, welcher zwischen dem ihn beleuchtenden optischen System und den lichtempfindlichen Teilen 17 und 17' liegt. Instead of a rack as shown in FIG. 1 shown, can the reference part also by a cylinder with a screw thread with a triangular profile be formed with an edge angle c and a pitch 2 e. Furthermore, the reflective reference part of FIG. 1 with a corresponding part made of transparent Material can be replaced, as in FIG. 2 shown. The separation then takes place by breaking at the flanks 25-26 of the reference part 1, which between him illuminating optical system and the photosensitive parts 17 and 17 '.
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